大连市引碧输水管道的牺牲阳极保护

战广深 任厚珉 刘贵昌 (大连理工大学化工学院)
李勤 封勃 张捍东 (大连市引碧供水南段工程指挥部办公室)
刘海峰 张学文 孙显臣 (中国市政工程东北设计研究院)[SX)]

　　大连市引碧入连三期南段供水工程主干地下输水管道从洼子店水库至开发区湾里，全长43.70km，管道于1996年3月开工，直埋式铺设，同年10月竣工，总投资近2亿元人民币。管材为碳钢，管径2054mm，壁厚16mm，外壁涂敷环氧煤沥青涂层，内壁采用水泥砂浆衬里。依据对管道途经沿线土壤电阻率的测试结果，结合一、二期输水管道牺牲阳极的阴极保护工程实践，决定采用牺牲阳极分段保护的方案，即对土壤电阻率<100Ω·m以及电阻率>100Ω·m但有地下水地段的输水管道实施保护。?

1 沿线土壤腐蚀性简析

1.1 土壤电阻率测定和腐蚀性评价
　　土壤电阻率是牺牲阳极保护设计的基本参数。为获得设计必需的第一手资料，沿管道走向每隔200m左右测试一组数据。结果表明，沿线属较高电阻率土壤环境，且电阻率变化范围较大(20～50 Ω·m)，其中电阻率<50Ω·m的地段约占18%，电阻率为50～100 Ω·m的地段约占32%，电阻率>100Ω·m的地段约占50%。　　
　由于土壤电阻率与土壤的多种理化性质有关，所以在一般情况下可以借助土壤电阻率的大小判断土壤腐蚀性。参照SYJ7—84标准，以土壤电阻率作为单项评价指标，并考虑到土壤含水量、pH值等因素的影响，评价沿线土壤腐蚀性等级为：强腐蚀约占5%(电阻率<20 Ω·m地段)，中等腐蚀强度占15%，中等偏弱占35%，其余为弱腐蚀强度。?
1.2 碳钢在土壤中的腐蚀速率
　　选择砂土、壤质砂土和粘土(编号分别为1^#、2^#和3^#)作为供试土壤，以与管道材质相同的碳钢作为试样，进行线性极化曲线测量和现场挂片失重试验，将测得的极化电阻和失重率换算成侵蚀深度，结果列于表1。由表1可以看出，两种方法测定的侵蚀率相近，随土壤电阻率降低，碳钢的平均腐蚀速率明显增大。对失重试验(240d)的试片表面进行形貌观察，发现有明显的局部腐蚀坑，最大坑蚀深度为：2^#试片0.28 mm/a,3^#试片 0.51mm/a。显然，在同一土壤环境中，碳钢的局部腐蚀强度远大于全面腐蚀。1^#试片所处土壤环境电阻率较高，土壤腐蚀性较弱，试片表面无明显的局部腐蚀坑。?

2 工程设计

2.1 被保护管道长度
　　根据现场勘察、土壤电阻率测试和腐蚀率测定结果，本工程采用牺牲阳极分段保护的方案。对石硼段和土壤电阻率较高(>100 Ω·m)的干燥地段不实施保护。被保护管道的实际长度为24.5km。?
2.2 牺牲阳极材料的选择
　　由于沿线土壤电阻率较高，故采用低铁(<0.005%)的Mg-Al-Zn-Mn合金牺牲阳极。阳极单支质量8kg，开路电位-1.55～-1.65 V(相对于铜/饱和硫酸铜参比电极，下同)。?
2.3 主要技术指标
　　实施牺牲阳极的阴极保护后，被保护管道任意点对地电位应为-0.85～-1.25V；牺牲阳极设计使用寿命为30年。?
2.4 最小保护电流密度J_p的确定
　　最小保护电流密度是阴极保护设计的重要参数之一。它的大小与被保护金属的表面状态、涂层的种类和质量以及土壤电阻率大小等因素有关。如何确定最小保护电流密度值，是阴极保护工程的主要技术难点之一。由于影响因素较多，进行理论计算比较困难，文献介绍的经验数据范围又较大，为了获得可靠的设计参数，本工程采用现场实物试验的方法确定最小保护电流密度。?
2.4.1 试验方法?
　　选择不同土壤电阻率的三个地段，采用外加电流方法测定。以焊接覆土后的管段(管长>100m)作为被保护体，废钢管作为辅助阳极，与可调式直流电源组成极化回路，回路中串接一零阻电流表。电位测量回路中参比电极为铜/饱和硫酸铜电极，电位测量采用高阻抗数字万用表。?
　　通过调整直流控制电源的输出电压和电流，测量被保护管段距辅助阳极和通电点最远端电位值，当电位测量值为-0.90V时记录系统的电流。此电流值与被保护管段表面积的比值即为所确定的最小保护电流密度。现场试验线路连接见图1。?

2.4.2 试验结果和讨论
　　表2列出了三种土壤环境中涂敷环氧煤沥青涂层的碳钢管最小保护电流密度试验值。由表2可见，土壤电阻率愈小，最小保护电流密度愈大。设计计算时，考虑到土壤电阻率变化、涂层破损等因素的影响，并留有设计余量，最小保护电流密度取值范围确定为0.1～0.5mA/m²。

2.5 简要设计计算?
2.5.1 阳极输出电流I?
　　单支镁阳极输出电流经验计算公式为：
?　I₁=150 000fy/ρ??
　　式中?ρ——————土壤电阻率，Ω·cm?
?　　　　f、y————系数，与阳极重量和管道保护电位有关，计算时分别取1和0.93?
　　若双支阳极埋设间距5m，屏蔽系数取1.946，则双支阳极输出电流为：?
?　I₂=I₁×1.946?
　　不同土壤电阻率时阳极输出电流的计算结果列于表3。

2.5.2 保护长度L
　　保护长度计算公式为：?
?　　L=I/J_pπD??
　　式中?D——管径，m?
　　当土壤电阻率为20、40、60、80、100 Ω·cm时，J_p依次取0.40、0.35、0.30、0.25、0.20mA/m²，按双支阳极为一组埋设，输出电流取表3中不同电阻率对应值，保护长度计算结果一并列入表3。?
2.5.3 阳极使用寿命T
　　计算公式：
?　　　　T=WAη/8 760I??
　　式中?W——阳极质量，kg?
?　　　　A——阳极理论发生电量，A·h/kg
　　　　?η——电流效率
?　　　　I——阳极输出电流，A?
　　按双支阳极埋设计算时，W为16 kg，A为2 210A·h/kg，η为50%，I为表3中不同土壤电阻率对应I₂值。?
　　计算结果除土壤电阻率为20 Ω·m时阳极使用寿命为15年，其余均大于30年。土壤电阻率较低时阳极输出电流较大，使用寿命较短，可通过在保护长度范围内增加阳极埋设支数(即增加阳极重量)的方法延长阳极使用寿命，满足设计和技术指标要求。?
2.6 阳极布置和埋设方式
　　综合考虑保护长度和阳极使用寿命两个因素，低电阻率土壤中两支阳极为一组，每组阳极埋设间距20 m，同组两支阳极管道两侧埋设，间距>5 m?；高电阻率土壤中，单支阳极管道两侧交错埋设，阳极间距10 m。阳极与管道同沟水平式埋设，阳极距地表面2.5～3m，距管道水平距离0.5～5 m。?
2.7 阳极填充?
　　为了降低阳极与土壤接触电阻，活化阳极表面，维持阳极较高、较稳定的电流输出，采用硫酸钠、硫酸钙、膨润土三组分(配比1∶5∶4)填料填充阳极。?
　　阳极在室内预先填充，装入布袋备用。阳极与填料的质量比为1∶6，阳极周围填料的厚度>10 cm。
2.8 测试桩
　　为了便于检测管道是否处于被保护状态，沿线1 km左右设一个电位测试桩。采用涂有环氧煤沥青涂层的钢筋(12mm)作为测量线，一端焊在管道上，另一端引出地面5cm以上，镶入凿有沟槽的石桩内。全线共安装测试桩21个，沿水流方向依次编号。

3 阳极安装

　　一般阳极安装与管道铺设同时进行。安装前在室内将阳极与导线连接处锡焊后用热塑管密封，导线另一端接头与加强板铜焊牢固，清除阳极表面油污后填充，制成袋装阳极。现场安装时，将预制阳极的加强板焊接在管道外壁上，焊接处涂敷环氧煤沥青涂层(四油三布)，固化干燥后用细土回填。?

4 参数测量与保护效果评价

4.1 参数测量
　　现场安装时，为了保证管道被保护距离内任意点电位测量值符合技术指标要求(以便及时调整每组<支>阳极的埋设间距)，测量了每一埋设点管道和阳极开路电位、阳极输出电流、管道极化电位等参数。图2显示了单支阳极输出电流与土壤电阻率的关系。由图2可见，采用经验公式计算的数值与现场测量值相近，且随土壤电阻率增大有大致相同的变化趋势，表明设计计算中采用的经验公式有一定的可靠性。

4.2 保护效果的评价?
　　全线阳极安装结束后，对实施牺牲阳极保护的管道定期进行电位检测。每一个测试桩作为一个检测点，分别测量桩附近、距桩正反两个方向5m和10m共5个位置的电位值，以测量值中最准值作为该点的电位检测值。牺牲阳极工作1年后各点电位检测结果如图3所示。图中的结果表明，各点的电位值均低于-0.85V，达到了设计和技术指标的要求，表明管道处于被保护状态。

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　　图3中电位值高于-0.90 V的测试点均属电阻率接近100 Ω·m或>100 Ω·m但有地下水的地段，表明高电阻率土壤中，由于阳极的输出电流较小，在一定程度上抑制了被保护管道极化电位朝负向变化；同时说明，对较高电阻率土壤环境中的管道实施牺牲阳极保护时，阳极采用分散式短间距埋设是必要的。

　　作者通讯处：战广深 116012 大连理工大学化工学院
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　　(收稿日期 1999-02-08)